DE60224799T2

DE60224799T2 - Verfahren und vorrichtung zur kalibration einer gm zelle unter verwendung einer gm replikatzelle

Info

Publication number: DE60224799T2
Application number: DE60224799T
Authority: DE
Inventors: Sasan Scotts Valley CYRUSIAN
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2022-05-25
Also published as: CN1284299C; EP1397860A1; EP1397860B1; US20020175765A1; US6737919B2; CN1520636A; WO2002097980A1; US6853249B2; DE60224799D1; US20040140853A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In zeitkontinuierlichen Filteranwendungen wird oft ein verallgemeinertes Biquad mit programmierbarer Verstärkung und Eigenfrequenz verwendet. Insbesondere verwenden Lese-/Schreibkanäle für Festplatten integrierte zeitkontinuierliche Filterung auf CMOS-Schaltungen. Die Stabilität der Grenzfrequenz und Verstärkung von zeitkontinuierlichen Filtern gehören zu den Kenngrößen eines integrierten Filters. Ein häufig verwendetes Verfahren zum Konstruieren eines verallgemeinerten Biquad ist durch Verwendung einer Gm-C-Technik, die oft für Signalverarbeitungsanwendungen in Laufwerk-Lesekanälen verwendet wird. CMOS-Gm-C-Filter sind für Schaltungen nützlich, in denen hohe Frequenzen vorkommen.
Die Gm-C-Technik ermöglicht eine Filterabstimmung in der Schaltung mit hoher Geschwindigkeit und geringen Stromanforderungen. In der Regel wird die Transkonduktanz konstant gehalten, während die Kapazität in der Schaltung abgestimmt wird, oder die Kapazität wird konstant gehalten, während die Transkonduktanz abgestimmt wird. Häufig wird Transkonduktanzabstimmung aufgrund eines größeren Dynamikumfangs und geringer Verzerrungen bevorzugt. Durch Verwendung von Transkonduktanzabstimmung können die Eckfrequenz f_c und die Verstärkung Q des Filters ausschließlich durch Modifizieren der Transkonduktanz Gm von Gm-Zellen in der Schaltung erhalten werden.
Die Transkonduktanz wird häufig durch Justieren einer Abstimmspannung und/oder eines Relaxationsstroms modifiziert. Transkonduktanz wird durch die folgende Gleichung definiert: Gm = IV , Gl. 1 wobei V die Eingangsspannung und I der Ausgangsstrom der Gm-Zelle ist.
Mit NMOS-Transistoren als Gm-Einstelleinrichtungen und konstant gehaltenem Relaxationsstrom nimmt die Transkonduktanz mit zunehmender Abstimmspannung zu. Ähnlich nimmt die Transkonduktanz mit abnehmender Abstimmspannung ab. Für NMOS mit konstant gehaltener Spannung nimmt die Transkonduktanz mit zunehmendem Relaxationsstrom zu, und die Transkonduktanz nimmt mit abnehmendem Relaxationsstrom ab.
Die Funktionsweise einer Biquad- oder anderen Schaltung, in der Gm-Zellen benutzt werden, wird auch durch Umgebungsfaktoren beeinflußt, wie etwa Temperatur und Toleranzen des Herstellungsprozesses. Um diese Faktoren zu berücksichtigen, werden oft Stromquellen mit Proportionalität zu Absoluttemperatur (PTAT-Quellen) verwendet. Bei PTAT-Techniken wird ein Thermometer in einen Chip eingebettet und der zu der Gm-Einstelleinrichtung bzw. den Gm-Einstelleinrichtungen gesendete Strom wird mit Bezug auf die Absoluttemperatur, d. h. eine auf Kelvin basierende Messung, abgeliefert, wodurch die Transkonduktanz justiert wird. Diese Lösung ist problematisch, weil die Temperaturabhängigkeit der Transkonduktanz nicht unbedingt linear ist. Darüber hinaus ist oft keine exakte mathematische Darstellung des Effekts der Temperatur auf die Transkonduktanz bekannt.
Bei dem PTAT-Ansatz kommt es zu großen Schwankungen gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur, und es ist häufig eine Vergrößerung einer Versorgungsspannung über die sichere Obergrenze des Prozesses hinaus erforderlich. Außerdem ist die Schaltung gegenüber Rauschen in dem Substrat oder anderen Schaltungen empfindlich.
EP-A-0 695 030 beschreibt, wie man eine Replik-Gm-Zelle für eine Transkonduktanzstufe schafft.
KURZFASSUNG
Abstimmbare Gm-Zellen können zur Bereitstellung von Filterungs- und Verstärkungsjustierungen verwendet werden. Häufig werden diese abstimmbaren Gm-Zellen in einem Biquad, einem Filter zweiter Ordnung, verwendet. Die Übertragungsfunktion hängt von der Transkonduktanz (Gm) der abstimmbaren Gm-Zellen ab. Gm-Zellen werden häufig durch Justieren einer Abstimmspannung abgestimmt. Dieser Vorgang ist als Abstimmung bekannt.
Replikzellen können die Gm-Zellen kalibrieren, indem den Gm-Zellen die korrekte Abstimmspannung zugeführt wird. Zusätzlich können die Replikzellen verwendet werden, um den Gm-Zellen eine Vorspannung zuzuführen.
Gemäß der Erfindung werden eine Replik-Gm-Zelle und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Gm-Zelle wie in den Ansprüchen beansprucht bereitgestellt.
In einem Aspekt ist eine Gm-Replikzelle betreibbar, um einen Gm-Einstellcode zu empfangen und einer Gm-Zelle eine Abstimmspannung zuzuführen. Hierbei wird die Abstimmspannung justiert, bis die Differenz zwischen zwei Drain-Strömen durch die Eingangstransistoren gleich einer Stromreferenz ist. Wenn diese Beziehung erreicht ist, ist die Transkonduktanz der Replikzelle und der Gm-Zelle, mit der sie verbunden ist, gleich der positiven Ausgangsstromreferenz, dividiert durch die Differenz zwischen der hohen Spannungsreferenz und einer niedrigen Spannungsreferenz. Unter diesen Bedingungen ist die Transkonduktanz der Zelle kalibriert.
Die Merkmale der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in dem nachfolgenden Abschnitt der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaltbild für eine Ausführungsform einer Gm-Replikzelle.
2 zeigt ein Schaltbild für eine weitere Ausführungsform einer Gm-Replikzelle.
3 zeigt eine Ausführungsform einer verallgemeinerten Biquad-Stufe, die Gm-Replikzellen verwendet.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung für einen multiplizierenden Stromausgang-Digital/Analog-Umsetzer.
5 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung für einen stabilen Referenzstromgenerator.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung für eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZUR ZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Gm-Zelle unter Verwendung einer Replik-Gm-Zelle. Der Ausdruck „verbunden mit" soll hierbei direkt verbunden oder durch eine oder mehrere Zwischenkomponenten indirekt verbunden bedeuten. Solche Zwischenkomponenten können sowohl auf Hardware als auch auf Software basierende Komponenten umfassen. Eine gleichzeitig anhängige Anmeldung wurde am 25. Mai 2001 registriert mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" und bildet die Prioritätsschrift für WO 02/097981 A .
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können für die Verwendung entweder mit einer herkömmlichen Gm-Zelle, einer in der oben zitierten gleichzeitig anhängigen Anmeldung offenbarten Gm-Zelle oder anderen Gm-Zellen ausgelegt werden. Eine Replikzelle stimmt im wesentlichen in bezug auf elektrische Eigenschaften mit der Gm-Zelle überein, die sie kalibriert. Insbesondere sind die Gm-Einstelleinrichtungen und die Eingangstransistoren der Replikzelle an die der Gm-Zelle angepaßt. Ferner können etwaige verwendete Kascodetransistoren, die mit den Eingangstransistoren verbunden sind, auch angepaßt werden. Ein Replikszenario liegt auch vor, wenn der Relaxationsstrom und die Kanalbreite der Transistoren in dem Signalpfad mit demselben Faktor skaliert werden. Zum Beispiel kann die Kanalbreite der Transistoren in der Replikzelle ein Viertel der Kanalbreite der Transistoren der Gm-Zellen in dem Signalpfad betragen, wenn der Relaxationsstrom der Replik-Gm-Zelle ein Viertel des Relaxationsstroms der Gm-Zellen in dem Signalpfad beträgt. In diesem Beispiel müssen die Pullup-Stromquellen nicht übereinstimmen.
1 zeigt ein Schaltbild für eine Replikzelle, die für die Verwendung in der schaltbaren Gm-Zelle der am 25. Mai 2001 registrierten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" ausgelegt. 2 zeigt ein Schaltbild für eine Replikzelle, die für die Verwendung mit einer herkömmlichen Gm-Zelle ausgelegt ist. Soweit die beschriebenen Elemente gleich sind, wurden gleiche Zahlen verwendet.
In 1 wird ein strommultiplizierender Digital/Analog-Umsetzer 100 mit einem Differenzstromausgang gezeigt. Der Digital/Analog-Umsetzer 100 besitzt Eingänge für einen Gm-Einstellcode 105 und wird mit einer positiven Versorgungsspannung 110 und einem Referenzstrom 115 verbunden. Der Digital/Analog-Umsetzer 100 besitzt Ausgänge für positiven Strom 120 und negativen Strom 125. Der Digital/Analog-Umsetzer 100 erzeugt einen stabilen Strom I_dac1, der proportional zu dem Wert des von dem Gm-Einstellcodeeingang 105 empfangenen digitalen Codes und dem Referenzstrom 115 ist.
4 zeigt einen beispielhaften multiplizierenden Digital/Analog-Umsetzer 100 mit Stromausgang. 5 zeigt eine beispielhafte Schaltung zur Erzeugung eines hochgenauen und stabilen Referenzstroms unter Verwendung eines externen Referenzwiderstands mit nur einem Chip-Pin. Es können auch andere Schaltungsentwürfe verwendet werden. Zum Beispiel kann die Schaltung von 4 mit internen Referenzwiderständen implementiert werden.
Wieder mit Bezug auf 1 ist der Positiv-Stromausgang 120 mit dem Drain-Anschluß und den Gates eines ersten Stromspiegeltransistors 130, dem Gate eines zweiten Stromspiegeltransistors 135 und dem Gate eines Relaxationsstromtransistors 140 verbunden. Der erste Stromspiegeltransistor 130 und der zweite Stromspiegeltransistor 135 arbeiten als Stromspiegel mit I_dac1 = I_dac2. Bei einer anderen Ausführungsform kann I_dac2 auch als ein beliebiges Vielfaches von I_dac1 ausgelegt werden. Dies kann durch Verändern des Verhältnisses der Kanalbreiten der Transistoren 130 und 135 erreicht werden.
Der Relaxationsstromtransistor 140 arbeitet in Verbindung mit dem ersten Stromspiegeltransistor 130 auch als Stromspiegel und erzeugt I_tail. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Relaxationsstromtransistor 140 mit einer Kanalbreite konstruiert, die größer als die Kanalbreite des ersten Stromspiegeltransistors 135 oder des zweiten Stromspiegeltransistors 140 ist. Die Kanal breite ist eine Frage der Entwurfspräferenz. In 1 ist die Kanalbreite w₂ größer als die Kanalbreite w₁, weil mehr Einrichtungen durch den Relaxationsstrom angesteuert werden.
Bei der Ausführungsform von 1 besteht der Gm-Einstellcode 105 aus Bit eines Binärworts. Bei einer Ausführungsform zur Verwendung mit der in der am 25. Mai 2110 registrierten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" offenbarten schaltbaren Gm-Zelle bestimmt der Gm-Einstellcode 105 auch, welche der Gm-Einstelleinrichtungen 145 (die hier in einer Binärcodierungsanordnung gezeigt sind) eingeschaltet werden. Da der Relaxationsstrom I_tail von I_dac1 abhängt, der von dem Gm-Einstellcode 105 abhängt, bleibt der Spannungsabfall über den Gm-Einstelleinrichtungen 145 konstant. Wenn zum Beispiel ein ursprünglicher Gm-Einstellcode von 3 auf 6 verdoppelt wird, verdoppeln sich I_dad1 und I_tail beide. Gleichzeitig empfängt das (hier ohne Decodierungsschaltung gezeigte) Schaltnetzwerk 150 den Gm-Einstellcode 105 und schaltet die entsprechenden Gm-Einstelleinrichtungen ein, um die Gesamttranskonduktanz der Gm-Einstelleinrichtungen 145 zu verdoppeln. In diesem Beispiel, bei dem die Gm-Einstelleinrichtungen 1 und 2 zuvor für einen Code von 3 eingeschaltet waren, führt die Änderung auf 6 zu eingeschalteten Gm-Einstelleinrichtungen 2 und 3 und ausgeschaltetem Rest. Hierbei verdoppelt sich die Transkonduktanz der Gm-Einstelleinrichtungen als Ganzes gleichzeitig mit der Verdoppelung des Relaxationsstroms. Folglich bleibt der Spannungsabfall an den Gm-Einstelleinrichtungen konstant. Somit wird die Funktionsweise des Rests der Replikzelle nicht beeinflußt und der Prozeß des Bestimmens einer richtigen Abstimmspannung wird verbessert. Bei anderen Ausführungsformen, wie zum Beispiel der in 2 gezeigten Ausführungsform, berücksichtigt die Abstimmspannung die Transkonduktanzänderung der Gm-Zelle. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Relaxationsstrom konstant gehalten werden. Hierbei ändert sich der Spannungsabfall an den Gm-Einstelleinrichtungen durch Reduzieren der Gm.
Die Gm-Einstelleinrichtungen 145 sind mit einem ersten Eingangstransistor 155 und einem zweiten Eingangstransistor 160 verbunden. Der erste Eingangstransistor 155 ist mit einer hohen Referenzspannung verbunden. Der zweite Eingangstransistor 160 ist mit einer niedrigen Referenzspannung verbunden. Da die Werte dieser beiden Spannungen nicht gleich sind, weisen die Ströme I₁ und I₂ verschiedene Beträge auf. Die Eingangstransistoren 155 und 160 sind mit Kascodetransistoren 165 und 170 verbunden. Die Kascodetransistoren 165 und 170 sind mit Kascodetransistoren 175 und 180 verbunden. Die Kascodetransistoren 175 und 180 sind mit einer gespiegelten Pullup-Stromquelle 185 und einem Spiegelreferenztransistor 190 verbunden.
Die Gates der gespiegelten Pullup-Stromquelle 185 und eines Spiegelreferenztransistors 190 sind mit dem Drain-Anschluß des zweiten Stromspiegeltransistors 135, dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 180, dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 170 und dem positiven Eingang des Fehlerverstärkers 195 verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Kascodetransistoren 165 und 175 sind jeweils mit den zwei Eingängen eines Fehlerverstärkers 195 verbunden. Die gespiegelte Pullup-Stromquelle 185, der Spiegelreferenztransistor 190 und die Kascodetransistoren 175 und 180 bilden einen Stromspiegel, der die Replikzelle statt als einen Differenzverstärker als einen asymmetrischen Verstärker konfiguriert.
Ein Eingang des Fehlerverstärkers 195 ist mit dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 175 und der ande re mit dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 180 verbunden. Der Fehlerverstärker 195 gibt die Differenz zwischen den Drain-Spannungen V₁ und V₂, multipliziert mit einer Verstärkung, aus und führt den Gm-Einstelleinrichtungen eine Abstimmspannung zu. Die von dem Fehlerverstärker 195 verwendete Verstärkung liegt oft in dem Bereich von 20 dB und 100 dB. Es können zahlreiche verschiedene Schaltungsentwürfe für die Funktionsweise des Fehlerverstärkers 195 verwendet werden.
Die Replikzelle stellt sicher, daß die Transkonduktanz Gm gleich dem positiven Ausgangsstrom I_dac1, dividiert durch die Differenz zwischen der hohen Referenzspannung V_refH und der niedrigen Referenzspannung V_refL, ist. Somit wird die folgende Beziehung gewünscht:
Wenn diese Gleichung erfüllt ist, ist die Transkonduktanz der Gm-Zelle richtig eingestellt. Der Fehlerverstärker 195 justiert gemäß dem Entwurf der Replikzelle die Abstimmspannung, bis diese Bedingung erfüllt ist.
Da der erste Stromspiegeltransistor 130 und der zweite Stromspiegeltransistor 135 dieselben Eigenschaften aufweisen, nämlich im wesentlichen dieselbe Kanalbreite und Kanallänge, gilt Idac1 = Idac2 Gl. 3
Ähnlich gilt wegen der Differenz der Kanalbreite zwischen der Relaxationsstromquelle 140 und dem ersten Stromspiegeltransistor 130
Zusätzlich sind unter idealen Bedingungen die folgenden Gleichungen anwendbar: I3 = Idac2 + I2 Gl. 5 I4 = I3 Gl. 6 I1 – I2 = (VrefH – VrefL)Gm Gl. 7 I1 = I4 Gl. 8
Durch Kombinieren der Gleichungen 5, 6 und 8 resultiert die folgende Gleichung: I1 – I2 = Idac2 Gl. 9
Gleichung 9 repräsentiert den Zustand, in dem die Gm-Zelle richtig abgestimmt ist. Im Fall I₁ – I₂ < I_dac2 ist die Transkonduktanz Gm der Gm-Zelle zu niedrig. Unter dieser Bedingung ergibt der Fehlerverstärker 195 eine niedrigere Abstimmspannung. Ähnlich ist im Fall I₁ – I₂ > I_dac2 die Transkonduktanz der Gm-Zelle zu hoch. Hier ergibt der Fehlerverstärker 195 eine höhere Abstimmspannung.

Bei der bevorzugten Ausführungsform von 1 kann man die folgenden Dimensionen verwenden:

Positiver Ausgangsstrom I_dac1:	Gm-Einstellung·2,5 μA
Erster und zweiter Strom
spiegeltransistor 130, 135:	W = 36 μm, L = 0,36 μm
Relaxationsstromquelle 140:	W = 36 μm, L = 0,36 μm
Gm-Einstelleinrichtungen 140:	W = 0,4 μm, L = 0,4 μm
Eingangstransistoren 155, 160:	W = 100 μm, L = 0,18 μm
NMOS-Kascode
transistoren 165, 170:	W = 100 μm, L = 0,18 μm
PMOS-Kascode
transistoren 175, 180:	W = 360 μm, L = 0,18 μm
Spiegel-Pullup-Stromquelle 185:	W = 36 μm, L = 0,36 μm
Spiegelreferenztransistor 190:	W = 36 μm, L = 0,36 μm

Für bestimmte Anwendungen kann es auch wünschenswert sein, eine höhere Auflösung in dem Digital/Analog-Umsetzer zu verwenden. Zum Beispiel kann durch Verwendung eines 10-Bit-Gm-Einstellcodes 105 eine weitere Ausführungsform der Replikzelle erreicht werden. Gleichzeitig kann diese Ausführungsform weiter sechs Paare von Gm-Einstelleinrichtungen und sechs Gm-Einstellsteuerelemente verwenden. Hierbei werden die ersten sechs höchstwertigen Bit des Digital/Analog-Umsetzers 100 mit den sechs Gm-Einstellsteuerelementen verbunden. Die übrigen 4 niedrigstwertigen Bit können zum Ändern des positiven Ausgangsstroms I_dac1 verwendet werden. Durch Justieren des Ausgangsstroms können zusätzlich Schwankungen im Herstellungsprozeß, der Temperatur und der Versorgungsspannung durch den Digital/Analog-Umsetzer 100 kompensiert werden.
Nunmehr mit Bezug auf 2 ist diese Ausführungsform für die Verwendung mit einer herkömmlichen Gm-Zelle ausgelegt. Bei dieser Ausführungsform werden die Gm-Einstellsteuerelemente 150 nicht benutzt.
In 2 ist ein strommultiplizierender Digital/Analog-Umsetzer 100 mit Differenzstromausgang gezeigt. Der Digital/Analog-Umsetzer 100 besitzt Eingänge für einen Gm-Einstellcode 105 und ist mit einer positiven Versorgungsspannung 110 und einem Referenzstrom 115 verbunden. Der Digital/Analog-Umsetzer 100 besitzt Ausgänge für positiven Strom 120 und negativen Strom 125.
Der Digital/Analog-Umsetzer 100 erzeugt einen stabilen Strom I_dac1, der proportional zu dem Wert des von dem Gm-Einstellcodeeingang 105 empfangenen digitalen Codes und dem Referenzstrom 115 ist.
Ein Positiv-Stromausgang 120 ist mit dem Drain-Anschluß und den Gates eines ersten Stromspiegeltransistors 130, dem Gate eines zweiten Stromspiegeltransistors 135 und dem Gate eines Relaxationsstromtransistors 140 verbunden. Der zweite Stromspiegeltransistor 135 erzeugt I_dac2. Der Relaxationsstromtransistor 140 erzeugt I_tail.
Die Gm-Einstelleinrichtungen 200 sind mit einem ersten Eingangstransistor 155 und einem zweiten Eingangstransistor 160 verbunden. Der erste Eingangstransistor 155 ist mit einer hohen Referenzspannung verbunden. Der zweite Eingangstransistor 160 ist mit einer niedrigen Referenzspannung verbunden. Die Eingangstransistoren 155 und 160 sind mit Kascodetransistoren 165 und 170 verbunden. Die Kascodetransistoren 165 und 170 sind mit Kascodetransistoren 175 und 180 verbunden. Die Kascodetransistoren 175 und 180 sind mit einer gespiegelten Pullup-Stromquelle 185 und einem Spiegelreferenztransistor 190 verbunden.
Die Gates der gespiegelten Pullup-Stromquelle 185 und eines Spiegelreferenztransistors 190 sind mit dem Drain-Anschluß des zweiten Stromspiegeltransistors 135, dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 180, dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 170 und dem positiven Eingang des Fehlerverstärkers 195 verbunden. Die Drain-Anschlüsse der Kascodetransistoren 165 und 175 sind jeweils mit den zwei Eingängen eines Fehlerverstärkers 195 verbunden.
Ein Eingang des Fehlerverstärkers 195 ist mit dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 175 und der andere mit dem Drain-Anschluß des Kascodetransistors 180 verbunden. Der Fehlerverstärker 195 gibt die Differenz zwischen den Drainspannungen V₁ und V₂, multipliziert mit einer Verstärkung, aus und führt den Gm- Einstelleinrichtungen eine Abstimmspannung zu. Wie für Durchschnittsfachleute erkennbar ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung zahlreiche Arten von Gm-Zellen und Gm-Einstelleinrichtungen benutzt werden.
Ferner können die in 1 und 2 abgebildeten Gm-Replikzellen auch gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Zum Beispiel kann man anstelle eines aus der gespiegelten Pullup-Stromquelle 185, dem Spiegelreferenztransistor 190 und den Kascodetransistoren 175 und 180 bestehenden Stromspiegels eine Gleichtakt-Rückkopplungsschleife verwenden. Ein Beispiel für eine Gleichtakt-Rückkopplungsschleife ist in 8 der am 25. Mai 2001 registrierten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" durch die Anordnung der Stromquellen 102 und 104, der Kascodetransistoren 106 und 108 und des Fehlerverstärkers 830 abgebildet. Eine ähnliche Anordnung kann in einer Replik-Gm-Zelle verwendet werden.
Die Replik-Gm-Zelle kann in vielfältigen Anwendungen verwendet werden. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine verallgemeinerte Biquad-Stufe eine digital programmierbare Verstärkung (Q) und Eigenfrequenz (fc) aufweist, die 6-Bit-Binär-Digitalcodes verwendet. Bei dieser Ausführungsform wird ein Paar Gm-Replikzellen verwendet, um die Gm-Zellen 320, 330 zu kalibrieren, die ein Filter zweiter Ordnung implementieren, das durch die folgende Übertragungsfunktion dargestellt wird:
wobei die Eigenfrequenz
und der Spitzen faktor
und f_c und Q_c binärcodierte digitale Zahlen sind.
Bei dieser Ausführungsform liegen drei Gm₁-Zellen 300 und eine Gm₂-Zelle 310 vor. Die Gm₁-Replikzelle 320 und die Gm-Replikzelle 330 dienen zum Kalibrieren der Gm₁-Zellen 300 bzw. der Gm₂-Zelle 310. Die Gm-Replikzellen 320 und 330 führen den Gm-Zellen 300 und 310 eine Abstimmspannung und eine Vorspannung zu. Bei der Schaltungskonfiguration von 3 kann die Abänderung von Gm₁ und Gm₂ verwendet werden, um die Eigenfrequenz und/oder Verstärkung der realisierten Übertragungsfunktion zu justieren.
Wie für Fachleute erkennbar ist, kann man für den Betrieb im Signalpfad mehrere verschiedene Arten von Gm-Zellen verwenden. Zum Beispiel können Gm-Replikzellen für die Verwendung mit den Schaltungen ausgelegt werden, die in den 1, 2, 8, 9 und 10 der am 25. Mai 2001 registrierten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" abgebildet sind.
Ferner können die Replik-Gm-Zellen die Verwendung der Gm-Einstelleinrichtungen umfassen, die in 3 und 4 der am 25. Mai 2001 registrierten US-Patentanmeldung, laufende Nummer US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 01 P 09240 US und mit dem Titel „METHOD AND APPARATUS FOR AN EFFICIENT LOW VOLTAGE SWITCHABLE GM CELL" abgebildet sind, herkömmlicher Gm-Einstelleinrichtungen oder anderer Gm-Einstelleinrichtungen.
Zusätzlich sind in 3 die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltungen 340 und 350 mit den Gm₁-Zellen 300 bzw. Gm₂-Zelle 310 verbunden, um sicherzustellen, daß ihnen der richtige Pullup-Strom zugeführt wird, und die Gleichtakt-Ausgangsspannung stabil ist. Eine beispielhafte Schaltung für die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltungen 340 und 350 ist in 6 abgebildet.
Es versteht sich, daß Fachleuten vielfältige Änderungen und Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen einfallen und in Betracht gezogen werden. Es ist deshalb beabsichtigt, daß die obige ausführliche Beschreibung nicht als Einschränkung, sondern als veranschaulichend betrachtet wird, und es versteht sich, daß der Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert werden soll.

Claims

Replik-Gm-Zelle, umfassend: mindestens eine Gm-Einstelleinrichtung (145); ein Paar Eingangstransistoren (155, 160), die mit der mindestens einen Gm-Einstelleinrichtung verbunden sind, wobei jeder Eingangstransistor betreibbar ist, um eine Referenzspannung zu empfangen; einen mit dem Paar Eingangstransistoren (155, 160) verbundenen Fehlerverstärker (195); einen mit dem Fehlerverstärker verbundene Referenzstromquelle (100–135); und einen mit dem Fehlerverstärker verbundenen Stromspiegel (185, 190), dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerverstärker der mindestens einen Gm-Einstelleinrichtung eine Abstimmspannung zuführt und der Fehlerverstärker die Abstimmspannung so justiert, daß die Transkonduktanz Gm gleich dem von der Referenzstromquelle ausgegebenen Referenzstrom, dividiert durch die Differenz zwischen den an die Eingangstransistoren angelegten Referenzspannungen, ist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Gm-Einstelleinrichtung (145) ein Paar Transistoren umfaßt, wobei die Transistoren Gates aufweisen, die aneinander angeschlossen sind.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Gm-Einstelleinrichtung (145) eine Vielzahl von Transistoren umfaßt, wobei die Transistoren aneinander angeschlossene Source-Anschlüsse und aneinander angeschlossene Drain-Anschlüsse aufweisen.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Replik-Gm-Zelle eine Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) umfaßt und wobei die Gm-Einstelleinrichtungen in einer binär codierten Konfiguration angeordnet sind.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Replik-Gm-Zelle eine Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) umfaßt und wobei die Gm-Einstelleinrichtungen in einer Thermometercodierungskonfiguration angeordnet sind.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Replik-Gm-Zelle eine Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) umfaßt und wobei die Gm-Einstelleinrichtungen in einer segmentierten Thermometercodierungskonfiguration angeordnet sind.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei jeder der Eingangstransistoren (155, 160) betreibbar ist, um eine Referenzspannung zu empfangen.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Referenzstromquelle (100–135) einen strommultiplizierenden Digital/Analog-Umsetzer (100) umfaßt.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Referenzstromquelle (100–135) einen strommultiplizierenden Digital/Analog-Umsetzer (100) und einen Stromspiegel (130, 135) umfaßt.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, ferner mit einer Relaxationsstromquelle (140), die mit der Referenzstromquelle (130–135) verbunden ist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei der Strom spiegel (185, 190) folgendes umfaßt: einen Spiegelreferenztransistor (190), wobei der Spiegelreferenztransistor ein Gate, einen Source-Anschluß und einen Drain-Anschluß aufweist, der mit einem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbunden ist; und eine gespiegelte Pullup-Stromquelle (185), wobei die gespiegelte Pullup-Stromquelle ein mit dem Gate des Spiegelreferenztransistors (190) und dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbundenes Gate, einen mit dem Source-Anschluß des Spiegelreferenztransistors (190) verbundenen Source-Anschluß und einen mit einem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbundenen Drain-Anschluß aufweist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 1, wobei der Stromspiegel (185, 190) folgendes umfaßt: einen Spiegelreferenztransistor (190), wobei der Spiegelreferenztransistor ein Gate, einen Source-Anschluß und einen Drain-Anschluß aufweist; einen ersten Kascodetransistor (180), wobei der erste Kascodetransistor ein Gate, einen mit dem Drain-Anschluß des Spiegelreferenztransistors (190) verbundenen Source-Anschluß und einen mit einem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbundenen Drain-Anschluß aufweist; eine gespiegelte Pullup-Stromquelle (185), wobei die gespiegelte Pullup-Stromquelle ein mit dem Gate des Spiegelreferenztransistors (190) und dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbundenes Gate, einen mit dem Source-Anschluß des Spiegelreferenztransistors (190) verbundenen Source-Anschluß und einen Drain-Anschluß aufweist; einen zweiten Kascodetransistor (175), wobei der zweite Kascodetransistor ein mit dem Gate des er sten Kascodetransistors (180) verbundenes Gate, einen mit dem Drain-Anschluß der gespiegelten Pullup-Stromquelle (185) verbundenen Source-Anschluß und einen mit einem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbundenen Drain-Anschluß aufweist.
Replik-Gm-Zelle, umfassend: einen Digital/Analog-Umsetzer, wobei der Digital/Analog-Umsetzer (100) betreibbar ist, um einen Gm-Einstellcode (105) zu empfangen und einen Strom (I_dad1) mit einem zu dem Gm-Einstellcode proportionalen Betrag auszugeben; einen mit dem Digital/Analog-Umsetzer (100) verbundenen Stromspiegel (130, 135); einen mit dem Stromspiegel (130, 135) verbundenen Spiegelreferenztransistor (190); eine mit dem Stromspiegel (130, 135) und dem Spiegelreferenztransistor (190) verbundene gespiegelte Pullup-Stromquelle (185); eine mit dem Digital/Analog-Umsetzer (100) verbundene Relaxationsstromquelle (140); mindestens eine mit der Relaxationsstromquelle (140) verbundene Gm-Einstelleinrichtung (145); einen mit der mindestens einen Gm-Einstelleinrichtung (145) verbundenen ersten Eingangstransistor (155); einen mit der mindestens einen Gm-Einstelleinrichtung (145), verbundenen zweiten Eingangstransistor (160); und einen Fehlerverstärker (195), der betreibbar ist, um der Gm-Einstelleinrichtung (145) eine Abstimmspannung zuzuführen, wobei der Fehlerverstärker einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist, wobei der Fehlerverstärker die Abstimmspannung durch Vergleichen einer zwischen dem ersten Eingangstransistor (155) und der gespiegelten Pullup-Stromquelle (185) befindlichen ersten Spannung mit einer zwischen dem zweiten Eingangstransistor (160) und dem Spiegelreferenztransistor (190) befindlichen zweiten Spannung erzeugt.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 13, ferner mit einem ersten Kascodetransistor (175), der mit der gespiegelten Pullup-Stromquelle (185) und dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbunden ist, und einem zweiten Kascodetransistor (180), der mit dem Spiegelreferenztransistor (190) und dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (195) verbunden ist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 14, ferner mit einem ersten Kascodetransistor (175), der mit dem ersten Eingangstransistor (155) und dem Fehlerverstärker (195) verbunden ist, und einem zweiten Kascodetransistor (180), der mit dem zweiten Eingangstransistor (160) und dem Fehlerverstärker (195) verbunden ist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 13, wobei die Replik-Gm-Zelle eine Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) umfaßt, wobei jede der Gm-Einstelleinrichtungen mindestens einen Transistor mit einem Source-Anschluß, einem Gate und einem Drain-Anschluß umfaßt und die Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen aneinander angeschlossene Source-Anschlüsse und aneinander angeschlossene Drain-Anschlüsse aufweist.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 16, ferner mit einem Schaltnetzwerk (150), das mit der Vielzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) verbunden und betreibbar ist, um den Gm-Einstellcode zu empfangen und den Gates der Gm-Einstelleinrichtungen eine Spannung zuzuführen.
Replik-Gm-Zelle nach Anspruch 16, wobei der Digital/Analog-Umsetzer (100) betreibbar ist, um einen Gm-Einstellcode (105) zu empfangen, der eine Anzahl von Bit aufweist, die größer als eine Anzahl von Gm-Einstelleinrichtungen (145) ist.
Verfahren zum Kalibrieren einer Gm-Zelle, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gm-Zelle; Bereitstellen einer mit der Gm-Zelle verbundenen Replik-Gm-Zelle; Bereitstellen einer hohen Referenzspannung und einer niedrigen Referenzspannung für die Replik-Gm-Zelle; Bereitstellen eines Gm-Einstellcodes für die Gm-Replikzelle; Erzeugen einer Abstimmspannung unter Verwendung der Replik-Gm-Zelle; Justieren der Abstimmspannung, bis die Differenz der Ströme durch ein Paar Eingangstransistoren der Replik-Gm-Zelle im wesentlichen gleich einem Referenzstrom ist; Verwenden der durch die Replik-Gm-Zelle erzeugten Abstimmspannung in der Gm-Zelle.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ferner der Gm-Einstellcode der Gm-Zelle zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ferner eine Vorspannung für die Gm-Zelle unter Verwendung der Gm-Replikzelle erzeugt wird.